Universidad del Valle

Universidad del Valle
FITOREMEDIACIÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES CON METALES PESADOS
LUZ EDITH BARBA HO
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERÍAS
ESCUELA DE INGENIERÍA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE
AREA ACADÉMICA INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL
SANTIAGO DE CALI
2002
1
FITOREMEDIACIÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON
METALES PESADOS
LUZ EDITH BARBA HO.
UNIVERSIDAD DEL VALLE. FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE-EIDENAR.
AREA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL
CALI, COLOMBIA
RESUMEN
Con el propósito de evaluar su potencial en la fitoremediación de aguas contaminadas con
hierro, se estudio a escala de laboratorio, el efecto de diferentes concentraciones de este
metal en recipientes sembrados con Lemna.
La planta empleada pertenece a la familia de la Lemnaceae y al género Lemna, obtenida de
cultivos de la Unidad Experimental del grupo de Investigación en Biotecnología Ambiental,
la cual es sometida a un proceso de aclimatación a condiciones de temperatura ambiente y
luz natural, con un cambio de solución de nutrientes (Hutner) cada dos días. Las
concentraciones de Fe ensayadas variaron de 0.5 mg/l a 4 mg/l y durante el experimento se
obtuvieron los datos necesarios para estudiar el efecto del pH, la variación del Fe en medio
acuoso y bioacumulación. En cuanto al pH se encontró que el crecimiento óptimo de la
lemna estuvo alrededor de un pH de 7 unidades y un crecimiento nulo a pH 5 y 6 unidades,
mientras que a pH de 8 y 9 Unidades hay retardo en el crecimiento.
La concentración de Fe en el afluente afecta la remoción del sistema encontrándose que a
una concentración de hierro de 4 mg/l, la planta se satura y devuelve el hierro al medio,
efecto que se observo en los ensayos.
1
1 .INTRODUCCIÓN.
En los últimos años, se ha acentuado la contaminación de los cuerpos de agua, debido al
manejo inadecuado de las aguas residuales de origen industrial y urbano. Ante tal situación,
es necesario promover el desarrollo de tecnologías que ayuden a mejorar la calidad de los
efluentes y que al mismo tiempo sean adecuadas al contexto socioeconómico del país.
Los metales son elementos que pueden encontrarse de forma natural en la superficie de
aguas no contaminadas según el tipo de suelo y rocas presentes a lo largo de una corriente
superficial. En concentraciones traza, muchos de estos metales son necesarios para la vida
acuática y para la salud humana. Algunas veces los metales pueden encontrarse en sistemas
acuáticos en concentraciones que sobrepasan los límites permisibles, ocasionado en la
mayoría de los casos por las actividades humanas.
El manejo de estas aguas residuales ha sido desde tiempo atrás un problema debido a las
grandes inversiones que deben de realizarse en plantas de tratamiento con el fin de depurar
esta agua antes de su vertimiento a una fuente superficial. De allí ha surgido la necesidad de
investigar técnicas innovadoras para el tratamiento de estos desechos, a bajos costos, como
es el caso del tratamiento con plantas acuáticas.
Las macrófitas acuáticas han sido consideradas por varios autores como una plaga debido a
su rápido crecimiento, ya que en ocasiones llegan a invadir lagunas y generan varios
problemas (Arrivallaga y Arredondo, 1978). Sin embargo, si las plantas acuáticas se
manejan adecuadamente, su poder de proliferación, su capacidad de absorción de nutrientes
y bioacumulación de otros compuestos del agua, las convierten en una herramienta útil en
el tratamiento de aguas residuales (Boyd, 1970).
Las lagunas con plantas acuáticas para el tratamiento de aguas residuales, se basan en los
principios ecológicos, en donde los efluentes son tratados eficientemente mediante
relaciones mutuas y coordinadas de flujo de energía y nutrientes, entre las plantas acuáticas
y los microorganismos degradadores (Shi y Wang, 1991).
2
Además, con base en los estudios de remoción de metales pesados por plantas acuáticas, se
pueden considerar estos sistemas como una alternativa ecológica y económicamente viable
para efluentes industriales.
3
2. METODOLOGÍA
El estudio se lleva cabo en la Universidad del Valle, Escuela de Recursos Naturales y del
Ambiente, Área de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. El trabajo experimental se realiza a
escala
de Laboratorio en la Unidad Experimental del Grupo de Investigación en
Biotecnología Ambiental y Química Ambiental.
2.1 CULTIVO DE LA LEMNA
Las plantas acuaticas utilizadas fueron las pertenecientes a la familia lemnaceae, grupo de
plantas acuáticas flotantes las cuales poseen velocidades de crecimiento bastante altas. Esta
familia consiste de cuatro géneros: Lemna, Spirodela, Wolffia y Wolfiella.
En este estudio se trabajó con el género Lemna, estas planta poseen un tamaño intermedio
entre las otras, variando entre 6 – 8 mm.
Las plantas fueron lavadas con agua desionizada, aisladas y transferidas a una solución de
nutrientes Hutner, cuya composición se presenta en la Tabla 1. En esta permanecieron a una
radiación solar que osciló entre 413 y 460 Cal/cm2 y a una temperatura ambiente 28–32 o C.
Tabla 1. Solución Hutner.
NUTRIENTE
CaCl2
EDTA
K2 HPO4
NH4 NO3
ZnSO4 .7H2 O
H3 BO3
NaMoO4 .H2O
CuSO4 .5H2 O
CoSO4 .7H2 O
MnCl2 .4H2 O
FeSO4. 7H2 O
MgSO4.7H2 O
CONCENTRACIÓN mg/l
12.20
50.0
40.0
20.0
6.50
1.50
2.50
0.40
0.020
3.52
2.50
50.0
4
2.1.1 SOLUCIÓN PATRÓN DE HIERRO
Se preparó una solución patrón de hierro de 1000 mg /l y unas soluciones de trabajo de 0.5,
1.5, 2.0, 3.0, 4.0 mg/l Fe. Estas concentraciones fueron estandarizadas y medidas en un
equipo de AA Shimadzu AA-6501F. Según lo establecido en los Métodos Estándar de
Análisis de Aguas y Aguas Residuales APHA – AWWA-WPCF.
2.1.2 EFECTO DE pH
Se estudió a diferentes valores de pH, su efecto sobre el crecimiento en peso de las plantas
y con relación al incremento en número de frondas.
Las plantas escogidas para el estudio, antes del experimento, fueron colocadas en agua de la
llave declorada y posteriormente en agua desionizada. La selección de las plantas es de
gran importancia y se debe tener mucho cuidado para no dañar la planta en su
manipulación.
Grafica 1. Aclimatación.
5
Se transplantan 10 colonias o 20 frondas en cada recipiente, se lleva un control también por
triplicado y se ajusta el pH en cada recipiente a 5, 6, 7, 8 y 9 unidades, a una concentración
de hierro de 0.5 mg/l. Se controló el número de frondas diarias por un periodo de 14 Días a
los diferentes pH.
Grafica 2. Ensayo.
2.1.3 EFECTOS DE LA VARIACIÓN EN LA CONCENTRACIÓN DE Fe.
Estas pruebas se realizan desarrollando un procedimiento de bioensayo usando la Lemna;
este procedimiento de acuerdo con experiencias es simple, sensible y económico.
Las plantas escogidas para el estudio, antes del experimento, son colocadas en agua de la
llave declorada y posteriormente en agua desionizada, Grafico 3 aclimatación.
6
Los ensayos se realizan en recipientes de 250 ml, a cada recipiente se le adiciona el metal y
200 ml de solución de nutrientes (Hutner).Se analizan un control (Hutner) y diferentes
concentraciones de cada tóxico que se realizan por triplicado. Se siembran las plantas con
una densidad de 400 g/m2 . El pH en los recipientes, se ajusta al valor de pH óptimo.
El análisis se planea realizarlo por 10 días con alimentación y cambio de medio cada dos
días.
Grafica 3. Ensayo variación de Hierro.
Se analizan como parámetros de control diario, incremento en peso de las plantas y la
concentración del metal en el medio acuoso.
2.1.4 ESTUDIOS DE ACUMULACIÓN
Para estos estudios se utiliza el mismo cultivo de Lemna. La acumulación de los metales
por Lemna se investiga
a través de una serie de bioensayos, en ellos las plantas se
sembraron con una densidad de 400 g/m2 . Se utilizan seis concentraciones del metal y se
dejan en contacto durante un período de 10 días. Se realizan los ensayos por triplicado y un
ensayo de control.
7
Durante el período de acumulación se determinan la concentración del toxico al inicio y
final del experimento.
Las plantas son luego lavadas con agua destilada, secadas a 650 C por 24 horas, pesadas y
calcinadas a 550 0 C por 2 horas. Los residuos son acidificados con 10 ml de una mezcla
1:1:2 de HNO3-H2 SO4-H2 O y analizadas posteriormente por Espectrofotometría de
Absorción Atómica para la determinación de la concentración del metal.
Grafica 4. Ensayo acumulación de Hierro
8
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
3.1 EFECTO DEL pH
Se realizaron ensayos a diferentes valores de pH para observar el efecto sobre el
crecimiento de la Lemna. Se trabajó con 5 gramos de la planta, una concentración fija de 5
mg/l de Fe, a valores de pH de 5, 6, 7 , 8 , 9 unidades y a Temperatura ambiente de 28 ºC.
Tabla 2. Aumento en Peso de la Lemna a Diferentes valores de pH.
pH
(unidades)
5
6
7
8
9
Peso Inicial
Muestras
(g)
0,147
0,124
0,101
0,130
0,111
0,113
0,111
0,110
0,117
0,117
0,132
0,095
0,076
0,106
0,106
Promedio
(g)
0,124
0,118
0,113
0,115
0,096
Peso Final
Muestras
(g)
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,439
0,396
0,297
0,236
0,273
0,183
0,217
0,258
0,229
Promedio
(g)
% Incremento
de Peso
0,000
0,00
0,000
0,00
0,377
335,41
0,231
201,69
0,235
245,45
Grafico 1. Efecto del pH Sobre el crecimiento de la Lemna
Variación de Peso de Masa Seca
% de Incremento de
Peso
350
300
250
200
150
100
50
0
5
6
7
8
9
pH (unidades)
9
En los resultados de este ensayo (Tabla 2. y Grafico 2.) si se observa al crecimiento de la
planta con relación al peso, presentan un óptimo crecimiento de la Lemna a un valor de pH
de 7 unidades y un crecimiento nulo a 5 y 6 unidades .Es importante resaltar que a pH de 8
y 9 unidades existe un incremento en el desarrollo de la planta pero retarda el crecimiento
en un 50 y 37,6 % respectivamente, si se relacionan con el valor de pH de 7 unidades.
Si se analiza el crecimiento de las plantas con relación al aumento en el número de frondas
(Tabla 3 y Grafico 3) se observa que el incremento mayor se logra de nuevo a pH de 7
unidades, un aumento nulo a 5 y 6 unidades e incrementos más bajos a 8 y 9 unidades.
Estos resultados nos llevan a establecer el pH de 7 unidades como el óptimo para el
desarrollo de la planta en el estudio con Fe.
Tabla 3. Comportamiento del Crecimiento de la Lemna a Diferentes Valores de pH.
0
1
2
3
4
5
7
pH 5
pH 6
pH 7
pH 8
pH 9
Tiempo
No.
%
No.
%
No.
%
No.
%
No.
%
(días)
Frondas Incremento Frondas Incremento
Frondas Incremento Frondas Incremento Frondas Incremento
42
0,00
38
0,00
0
39
0,00
40
0,00
34
0,00
42
1,60
38
1,77
1
44
11,97
43
5,79
39
12,62
44
4,80
40
5,31
2
49
25,64
47
16,53
44
27,18
43
2,40
40
5,31
3
55
40,17
52
29,75
47
37,86
40
-4,00
40
6,19
4
63
61,54
61
50,41
60
75,73
18
-56,00
21
-43,36
5
67
70,94
61
52,07
63
84,47
0
-100,00
0
-100,00
8
92
136,75
75
86,78
71
107,77
10
118
201,71
81
100,83
85
146,60
Grafico 3. Efecto del pH Sobre el Crecimiento de la Lemna
(No. Frondas)
300,00
% de Incremento en el No.
De Frondas
Tiempo
(días)
pH 5,0
pH 6,0
250,00
pH 7,0
200,00
pH 8,0
150,00
pH 9,0
100,00
50,00
0,00
-50,00
0
2
4
6
8
10
12
-100,00
-150,00
Tiempo (días)
10
3.2 EFECTOS DE LA VARIACIÓN EN LA CONCENTRACIÓN DE Fe.
Ya establecido el valor de pH adecuado para que el crecimiento de la plantas se procede a
realizar ensayos variando la concentración del metal para observar su efecto sobre el
crecimiento de la Lemna.
Se trabajó con un blanco que solo consistía en la solución Hutner de nutrientes y las plantas
como blanco y para concentraciones de Fe de 0.5, 1.5, 2.5, 3.0 y 4.0 mg /l. Los ensayos se
realizaron por triplicado y durante un periodo de 6 días ya que posteriormente no se
efectuaron cambios y las plantas murieron.
Tabla 3. Remoción de Hierro a Diferentes Concentraciones
Conc. Fe Adicionada
%
(mg/l)
Remoción
0
0
0,5
54,4
1,5
41,5
2
41,5
3
28,5
4
17,5
Grafico 3. Remoción de Fe de la Solución Acuosa
60
% Remoción
50
40
30
20
10
0
0,5
1,5
2
3
4
Concentración de Fe (mg/l)
11
Se observa en estos resultados (Tabla 3 y Grafico 3) que a medida que aumenta la
concentración de Fe en el medio, entre 0.5 y 4.0 mg /l, el porcentaje de remoción del metal
es menor y que al sexto día, en la concentración de 4.0 mg /l Fe, la planta ya se halla
saturada y devuelve el Fe al medio, con el consecuente incremento de la concentración del
metal. Estos resultados son corroborados al evaluar el contenido de Fe en la planta al
finalizar los ensayos, al encontrarse una acumulación continua del metal con el incremento
de la concentración de 0.5 hasta 3.0 mg/l y observarse un descenso a una concentración de
4.0 mg /l (Tabla 5 y Grafico 5).
3.3 ACUMULACION DE Fe EN LAS PLANTAS
Con miras conocer la cantidad de Fe que pueden acumular las plantas, se realizan
determinaciones de este metal en el material vegetal, luego de exponerlas durante 10 días a
diferentes concentraciones.
Los resultados nos muestran que a medida que se incrementa la concentración de Fe de 0.5
a 4.0 mg / l, se obtiene un incremento en la concentración de Fe en la Lemna hasta alcanzar
3.0 mg / l, pero a la concentración de 4.0 mg/l la acumulación disminuye. Estos resultados
están de acuerdo con los obtenidos al analizar la concentración que queda en el medio
acuoso, donde se observa que la concentración de Fe va disminuyendo hasta una
concentración de 3.0 mg/l y luego a 4.0 mg/l se incrementa; lo que indica que a esta
concentración la planta se satura con el metal, este ya no es adsorbido y se queda en el
medio acuoso.
12
Tabla 5. Hierro Acumulado por las Plantas a Diferentes Concentraciones.
Conc. Fe
Conc. Fe
Conc. Fe
Conc. Fe
Aplicado
inicial
Final
Acumulada
(mg/l)
(mgFe/glemna) (mgFe/glemna) (mgFe/glemna)
0,5
0,8884
0,494
1,5
1,1144
0,72
2
0,3944
1,3982
1,0038
3
1,6228
1,2284
4
1,37
0,9756
Conc. Fe Acumulada en la
Lemna (mg Fe/g Lemna)
Grafico 5. Acumulación de Fe en las Plantas a Diferentes
Concentraciones de Fe en el Medio
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,5
1,5
2
3
4
Concentració Fe en el Medio (mg/l)
13
4. CONCLUSIONES
El estudio del efecto de una concentración fija de hierro de 0.5 mg/l variando los valores de
pH nos indica que el pH óptimo para el crecimiento de las plantas es de 7.0 unidades.
Al incrementarse la concentración de Fe de 0.5 a 4.0 mg/l se obtiene una disminución en la
concentración presente en el medio acuoso hasta 3.0 mg/l de Fe. Posteriormente hay un
incremento a la concentración de 4.0 mg/l, indicando que a esta concentración la planta no
adsorbe más el metal por encontrarse saturados sus sitios de adsorción.
Estos resultados están de acuerdo con los porcentajes de remoción de hierro en las plantas a
diferentes concentraciones en el medio acuoso, ya que se observa un incremento en la
concentración de hierro en la planta hasta 3 mg/l y un descenso hasta 4.0 mg/l.
Debido a que estos son resultados preliminares es conveniente realizar mas ensayos para
verificar y complementar el estudio.
14
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